Способ просветного акустического зондирования легких
Владельцы патента RU 2412647:
Учреждение Российской академии наук Тихоокеанский океанологический институт им.В.И.Ильичева Дальневосточного отделения РАН (RU)
Изобретение относится к медицине, а именно к пульмонологии, и предназначено для неинвазивного и неионизирующего контроля состояния легочных тканей. В полость рта пациента излучают широкополосный кодированный акустический сигнал с нижней частотой 80 Гц и шириной полосы частот не менее 200 Гц. Прием отклика данного сигнала производят акустическим датчиком вибраций. По полученным данным строят график по модулю взаимно-корреляционной функции излученного и принятого сигналов. Выделяют на полученном графике два максимума, характеризующие различные скорости звука и пути распространения. Задержку времени определяют как разницу между этими двумя максимумами. В качестве кодированного сигнала используют линейно-частотно-модулированный или фазоманипулированный сигналы. Способ позволяет повысить информативность просветного акустического зондирования легких человека за счет одновременного выделения сигналов, характеризующих воздушно-структурный и структурный механизмы проведения звуков в дыхательной системе человека. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к медицине и может быть использовано для неинвазивного и неионизирующего контроля состояния легочных тканей и выявления очаговых изменений.
Известны и широко применяются в клинической практике акустические способы контроля состояния легочных тканей, основанные на субъективном выслушивании возникающих в легких звуковых явлений - аускультация легких. Аускультация легких осуществляется путем прикладывания к поверхности грудной клетки инструмента для выслушивания дыхательных звуков (см. "Аускультация". БМЭ, Т.2. М.: 1957. С.1155-1158; "Пропедевтика внутренних болезней". Под ред. В.Х.Василенко и А.Л.Гребнева. М.: Медицина, 1983, с.54-57 и 132-143; Пропедевтика детских болезней: Практикум / Под ред. В.В.Юрьева. - СПб: Питер, 2002. - С.262-266).
Известен способ просветного акустического зондирования легких, согласно которому осуществляют объективную запись и анализ проведенных на стенку грудной клетки звуков голоса (патент РФ №2304928).
Недостатком способов-аналогов является невысокая эффективность контроля состояния легочных тканей и выявления очаговых изменений, что связано с использованием для зондирования естественных акустических сигналов организма (дыхательные шумы, звуки голоса).
Известно существование, как минимум, двух механизмов проведения звуков в дыхательной системе человека (Акустический журнал, 1998, т.44, №3, с.380-390). Первый из этих механизмов связан с частичным распространением звуковых волн по просвету дыхательных путей с постепенным переходом в ткани легких. Он получил название воздушного или воздушно-структурного. Второй механизм связан с непосредственным возбуждением звуковых колебаний в тканях легких пульсирующими стенками трахеи и главных бронхов. Этот механизм получил название структурного. В работах (Акустический журнал, 1998, т.44, №3, с.380-390; Акустический журнал. 2003. т.49, №3, с.376-388.) показано, что взаимодействие этих двух механизмов проведения искажает вид регистрируемых на поверхности тела человека звуковых сигналов и, таким образом, снижает информативность акустического зондирования. Известными на сегодняшний день способами зондирования не удалось одновременно выделить оба этих механизма.
В качестве прототипа рассмотрен способ просветного акустического зондирования легких (Bergstresser Т., Ofengeim D., Vyshedskiy A., Shane J., Murphy R. Sound transmission in the lung as a function of lung volume // J. Appl. Physiol. - 2002. - V.93. - P.667-674.), заключающийся в излучении в полость рта узкополосного кодированного акустического сигнала, приеме его отклика акустическим датчиком микрофонного типа, конкретно электретным микрофоном со стетоскопической насадкой, установленным на трахее и на поверхности грудной клетки в специальном полиуретановом корпусе, построении графиков взаимно-корреляционной функции излученного и принятого сигналов по каждому из откликов, измерении задержки от момента излучения до максимума взаимно-корреляционной функции по каждому из графиков и последующее картирование поверхности легких по разнице между полученными временами задержки. При этом за счет использования в качестве узкополосного кодированного акустического сигнала линейно-частотно-модулированного сигнала (ЛЧМ) с дискретно изменяемыми несущими частотами от 130 до 150 Гц в известном способе удалось применить корреляционную обработку (свертку) и измерить такой информативный акустический параметр, характеризующий состояние и воздухонаполнение легочной ткани, как задержка времени между излучением и приемом сигнала, проводимого воздушно-структурным механизмом. Данный параметр, варьирующийся от 1 мс до 5 мс, используемый в прототипе для картирования поверхности легких, позволяет контролировать однородность/неоднородность легочной ткани и предлагается для эффективного выявления очаговых изменений легочной ткани.
Однако недостаточная разрешающая способность известного способа по времени, вызванная использованием кодированного зондирующего сигнала с узкой полосой частот порядка 20 Гц, а также применение акустических датчиков микрофонного типа снижает информативность оценки локального состояния легких в месте установки акустического датчика, а значит и самого способа просветного зондирования.
Задача изобретения - повышение информативности просветного зондирования легких человека за счет увеличения разрешающей способности способа по времени.
Поставленная задача достигается тем, что в способе просветного акустического зондирования легких, заключающемся в излучении в полость рта кодированного акустического сигнала, приеме отклика акустическим датчиком, установленным на поверхности грудной клетки, построении графика взаимно-корреляционной функции излученного и принятого сигналов, выделении и определении по графику величины задержки максимума взаимно-корреляционной функции от момента излучения и последующем картировании легких по величине задержки, в полость рта по заявляемому способу излучают широкополосный акустический кодированный сигнал с нижней частотой 80 Гц и шириной полосы частот не менее 200 Гц, прием отклика производят акустическим датчиком вибраций, построение графика осуществляют по модулю взаимно-корреляционной функции излученного и принятого сигналов, выделяют по полученному графику два максимума, а задержку времени определяют как разницу между ними.
В качестве кодированного сигнала возможно использование различных типов таких сигналов, полоса частот которых (Δf) связана с разрешением во времени (τ) как τ=1/Δf (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. 1979. т.3, с.400-442), что позволяет провести свертку получаемого сигнала, в том числе, например, линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал или фазоманипулированный сигнал (ФМ). Заявляемые параметры излучаемого кодированного сигнала при частотной базе не менее 200 Гц дают возможность получить разрешение по времени не менее 5 мс.
Использование кодированного сигнала с нижней границей полосы частот 80 Гц определяется тем, что полоса частот, в которой в дыхательной системе человека без сильного затухания распространяются звуковые колебания, ограничена снизу именно этой частотой 80 Гц (Акустический журнал. 2003. т.49, №3, с.376-388).
В качестве акустического датчика вибраций возможно использование известных датчиков данного типа или известных неконтактных оптических датчиков колебательного смещения, которые устойчивы к паразитному проникновению полезного сигнала по воздуху.
Заявляемые параметры излучаемого кодированного сигнала позволяют обеспечить достаточное разрешение во времени при взаимно-корреляционной обработке (свертке), а применение акустического датчика вибраций позволяет избавиться от большого числа ложных приходов сигнала (прямой сигнал по окружающей воздушной среде, переотражения от стен помещения и т.д.), которые распространяются со значительно более высокими скоростями звука и затрудняют выделение структурного механизма проведения.
Заявляемый способ просветного зондирования легких позволил одновременно выделить два различных механизма распространения звуковых колебаний в дыхательной системе человека (что ранее не удавалось), характеризуемых различными скоростями звука и путями распространения: воздушно-структурный и структурный, и определить относительную задержку между скоростями их распространения, которая дает возможность получить дополнительную информацию о локальном состоянии легких, связанном с воздухонаполнением паренхимы легких. Эта информация обеспечивает новую возможность контроля однородности/неоднородности легких и выявления очаговых изменений, являющихся, в частности, признаками различных респираторных заболеваний.
Для пояснения сущности предлагаемого изобретения на фиг.1 показан график модуля взаимно-корреляционной функции излученного и принятого сигналов для нижней доли правого легкого одного из обследуемых, где 1 - первый максимум, 2 - второй максимум, а на фиг.2 приведена таблица задержки времени между первым и вторым максимумами модуля взаимно-корреляционной функции в нижнедолевой области (мс) трех (К., Ко., Т.) обследуемых.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Обследование выполняют в положении сидя. Зондирующие кодированные сигналы подают в полость рта обследуемого через сменный мундштук, фиксируемый в маске динамика системы возбуждения звуковых колебаний. Обследуемый делает глубокий вдох, обхватывает губами мундштук и начинает маневр медленного выдоха, после чего включается излучение зондирующего сигнала. Во избежание закрытия надгортанника маневр медленного выдоха продолжается до полного окончания зондирующего кодированного сигнала. Прошедшие на поверхность тела сигналы - отклики - регистрируются акустическими датчиками вибраций на поверхности грудной клетки обследуемого. Запись откликов с акустических датчиков осуществляют синхронно с электрической копией зондирующего сигнала, подаваемого на вход динамика системы возбуждения звуковых колебаний. Вычисляют график (фиг.1) модуля взаимно-корреляционной функции зондирующего сигнала и отклика. На полученном графике выделяют два максимума взаимно-корреляционной функции и измеряют задержку времени между ними. Следует отметить, что основные максимумы взаимно-корреляционной функции окружены так называемыми боковыми лепестками (фиг.1), амплитуда которых обычно существенно меньше, чем у основных максимумов, и они легко отличаются на графике оператором от основных максимумов. Полученные значения задержек времени максимумов взаимно-корреляционной функции предназначены для отражения на карте проекций легких, аналогичной используемой в прототипе.
Таким образом, заявляемый способ просветного зондирования использует для получения информации о локальном состоянии легких новый информативный акустический параметр - задержка времени между двумя максимумами взаимно-корреляционной функции, характеризующий, в отличие от известных, два одновременно существующих механизма распространения звуковых колебаний в дыхательной системе человека, что позволяет повысить информативность просветного зондирования легких и получить новую информацию о состоянии легких. При этом получение данного параметра стало возможным из-за применения авторами новых технических решений для осуществления способа: использования для просветного зондирования легких широкополосного кодированного сигнала с шириной полосы не менее 200 Гц и регистрации отклика с использованием акустического датчика вибраций, устойчивого к паразитному проникновению полезного сигнала по воздуху.
Проиллюстрируем применение предлагаемого способа на конкретном примере.
Способ осуществляли на установке, включающей в себя динамик системы возбуждения звуковых колебаний, запитываемый через усилитель с линейного выхода звуковой карты персонального компьютера, систему акустических датчиков акселерометрического типа, подключаемых к аналоговым входам самописца компьютерной лаборатории PowerLab (ADInstruments).
В качестве акустического датчика используют контактный акселерометр, обеспечивающий чувствительность по виброускорению не менее 3-4 мВ/мс2 с неравномерностью частотной характеристики не хуже 3 дБ в диапазоне частот от 80 до 1000 Гц.
Остальные элементы устройства являются стандартными.
В эксперименте использовалось два вида широкополосных кодированных сигналов: линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал с нижней границей полосы частот 80 Гц и шириной полосы частот 920 Гц, линейно-перестраиваемыми за время 20 с, и фазоманипулированный сигнал (ФМ) на основе последовательно генерируемых трех 511 символьных m-кодированных последовательностей с различающимися несущими частотами 200, 300, 750 Гц (эффективная полоса частот от 80 до 1000 Гц, ширина полосы частот 920 Гц), общая продолжительность сигнала 2,5 с. Автокорреляционная функция обоих сигналов обеспечивает временное разрешение порядка 1 мс (1/ширина полосы частот).
В ходе эксперимента, каждому из трех его участников (К., Ко., Т.) выполнено по нескольку последовательных попыток зондирования дыхательной системы обоими типами сигналов. Зондирующие сигналы подавались в полость рта через сменный мундштук, фиксируемый в маске динамика системы возбуждения звуковых колебаний. Обследуемый делал глубокий вдох, обхватывал губами мундштук и начинал маневр медленного выдоха, после чего по его знаку включалось излучение зондирующего сигнала. Во избежание закрытия надгортанника маневр медленного выдоха продолжался до полного окончания зондирующего сигнала. Прошедшие на поверхность тела сигналы - отклики - регистрировались акселерометрическими акустическими датчиками вибраций, приклеенными с помощью двусторонней клейкой ленты на поверхность грудной клетки над правой нижней долей легких. Запись проведенных сигналов с акустических датчиков осуществлялась на электронный самописец. Синхронно с откликами акустических датчиков записана электрическая копия зондирующего сигнала с входа динамика системы возбуждения звуковых колебаний. Взаимно-корреляционная функция определялась путем вычисления взаимного спектра синхронных фрагментов электрической копии зондирующего сигнала с откликами, полученными акустическими датчиками, с последующим обратным преобразованием Фурье и взятием модуля (пакет DADiSP 2002, DSP Development Corp).
Текст программы:
MAG(IFFT(FFT(TWO(A))*CONJ(FFT(TWO(B)))))*2/(LENGTH(A)+LENGTH(B))
где:
A, B - зондирующий и принятый сигналы;
LENGTH - операция вычисления длины реализации сигнала;
FFT - операция вычисления быстрого преобразования Фурье;
IFFT - операция вычисления обратного быстрого преобразования Фурье;
CONJ - операция вычисления комплексно-сопряженной величины;
MAG - операция вычисления модуля.
(Function Reference Manual, July, 2003, Copyright © 2003 DSP Development Corporation).
Результаты приведены на фиг.1.
В частности, для нижней доли правого легкого устойчиво фиксируются два максимума взаимно-корреляционной функции (фиг.1), первый (1) из которых характеризует воздушно-структурный механизм (определяется частичным распространением зондирующего сигнала по просвету дыхательных путей, а частичным - по паренхиме легкого) распространения зондирующего сигнала из полости рта на поверхность грудной клетки. Второй (2) же максимум взаимно-корреляционной функции характеризует структурный механизм (возбуждение пульсирующими стенками трахеи звуковых колебаний во внелегочной верхней части грудной клетки, откуда эти колебания проводятся по легочным тканям в места установки акустических датчиков) распространения зондирующего сигнала из полости рта на поверхность грудной клетки. По полученным графикам взаимно-корреляционной функции определены задержки времени между двумя максимумами взаимно-корреляционной функции (фиг.2).
Согласно полученным данным фиксируемые задержки времени для каждого из используемых типов зондирующих кодированных сигналов обладают высокой повторяемостью от попытки к попытке для одного и того же обследуемого (фиг.2).
Обращает на себя внимание индивидуальность задержек между первым и вторым максимумами взаимно-корреляционной функции. Для случая обследуемых К. и Т. это может быть объяснено различием комплекции. В то же время при схожей комплекции (Ко. и Т.) ответственным за наблюдаемый эффект является различное состояние паренхимы легких, связанное с ее возрастными фиброзными изменениями (обследуемый Т.), подтвержденными физикальными данными.
Таким образом, нами получен новый дополнительный параметр для характеристики локального состояния легких - задержка времени между двумя максимумами взаимно-корреляционной функции, которая характеризует разницу во времени распространения между двумя различными механизмами распространения зондирующего сигнала из полости рта к поверхности грудной клетки. Данная задержка времени описывает локальное состояние легочных тканей вблизи от места установки акустического датчика, связанное с воздухонаполнением легочной ткани, и может быть использована для отражения на карте проекций легких, аналогичной используемой в прототипе, в интересах описания однородности/неоднородности легочной ткани и выявления очаговых изменений.
Одновременная фиксация при осуществлении способа просветного зондирования легких человека двух механизмов проведения звука не могла быть осуществлена ранее из-за использования кодированного зондирующего сигнала с узкой полосой частот и использования акустических датчиков микрофонного типа, чувствительных не только к вибрациям поверхности грудной клетки, но и к паразитному распространению зондирующего сигнала по окружающей обследуемого воздушной среде, поэтому известные способы не смогли обеспечить достаточного разрешения во времени при взаимно-корреляционной обработке, чтобы выделить второй приход сигнала. Так, максимальное разрешение по времени для прототипа составляет 50 мс (1/20), а фиксируемые задержки (фиг.2) между первым и вторым максимумами взаимно-корреляционной функции по заявляемому способу даже в нижних долях легких лежат в диапазоне от 7 до 13 мс. Вторая причина приводит к появлению большого числа ложных приходов сигнала (прямой сигнал по окружающей воздушной среде, переотражения от стен помещения и т.д.), которые распространяются со значительно более высокими скоростями звука и затрудняют выделение структурного механизма проведения.
Использование полосы частот зондирующего сигнала шириной не менее 200 Гц дает разрешение во времени при взаимно-корреляционной обработке (сжатии импульса) не хуже 5 мс (1/200) и обеспечивает разрешение, достаточное для разделения сигналов, проведенных различными механизмами, и использование акустического датчика вибраций, нечувствительного к распространению зондирующего сигнала по окружающей обследуемого воздушной среде, в совокупности позволило выявить новый акустический параметр - задержку времени между двумя максимумами взаимно-корреляционной функции, который характеризует разницу во времени распространения между двумя различными механизмами (путями) распространения зондирующего сигнала из полости рта к поверхности грудной клетки и позволяет повысить информативность способа просветного зондирования легких.
1. Способ просветного акустического зондирования легких, заключающийся в излучении в полость рта кодированного акустического сигнала, приеме отклика акустическим датчиком, установленным на поверхности грудной клетки, построении графика взаимно-корреляционной функции излученного и принятого сигналов, выделении и определении по графику величины задержки максимума взаимно-корреляционной функции от момента излучения и последующем картировании легких по величине задержки, отличающийся тем, что в полость рта излучают широкополосный кодированный акустический сигнал с нижней частотой 80 Гц и шириной полосы частот не менее 200 Гц, прием отклика производят акустическим датчиком вибраций, построение графика осуществляют по модулю взаимно-корреляционной функции излученного и принятого сигналов, выделяют по полученному графику два максимума, а задержку времени определяют как разницу между ними.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кодированного сигнала используют линейно-частотно-модулированный или фазоманипулированный сигналы.
